Cornelsen Experimenta Optik 2...Hiermit wird bestätigt, dass das Produkt Schüler-Set Optik 2.0...
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Handreichung
Mit QR Code®- Unterstützung!
Lichtausbreitung und Schattenbildung
Reflexion an Spiegeln
Strahlenverlauf an gekrümmten Spiegeln
Brechung und Totalreflexion
Brennweite einer Sammellinse
Strahlengang bei Konvex- und Konkav-Linsen
Linsengleichung
Zerlegung von weißem Licht
Optische Geräte
Cornelsen Experimenta
Optik 2.0Schüler-Set
Lese- probe
Dieses Werk enthält Vorschläge und Anleitungen für Untersuchungen und Experimente. Vor jedem Experiment sind mögliche Gefahrenquellen zu besprechen. Beim Experimentieren sind die Richtlinien zur Sicherheit im Unterricht einzuhalten.
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© 2019 Cornelsen Experimenta GmbH, Berlin
Leseprobe
© Cornelsen Experimenta 3
Schüler-Set Optik 2.0Bestellnummer 47530
InhaltEinräumplan / Einzelteilübersicht ...................4, 5Hinweise zum Versuchsaufbau ...........................6Hinweise zur Schülerlampe ................................7Binnendifferenzierung mit QR Codes .............8, 9
1 StrahlenoptikVersuchsbeschreibungen,Arbeitsblätter & Stationskarten ................10
1.1 Licht und Schatten ................................101.2 Reflexionsgesetz ....................................121.3 Gekrümmte Spiegel ..............................151.4 Snellius’sches Brechungsgesetz ..............171.5 Das Prinzip von Fermat .........................201.6 Brechung und Totalreflexion
in Wasser ...............................................231.7 Übung zur Lichtbrechung .....................261.8 Strahlengänge durch Linsen .................281.9 Brennpunkt einer Sammellinse .............301.9a Schnittlinse .............................................. 301.9b Linse auf der optischen Bank .................... 301.10 Bildentstehung bei Sammellinsen ..............341.11 Linsengleichung ....................................371.12 Optische Geräte ..................................401.12a Das Erdfernrohr ....................................... 401.12b Das astronomische Fernrohr .................... 411.12c Der Projektor ........................................... 411.12d Das Lichtmikroskop ................................. 421.13 Licht und Farbe ...................................45
Für die Versuche zur Wellenoptik ist dieErgänzung Wellenoptik 47540 erforderlich.
2 Wellenoptik Versuchsbeschreibungen,
Arbeitsblätter & Stationskarten ........... 47
2.1 Interferenz am Gitter ........................ 472.2 Polarisation ........................................ 502.3 Polarisationseffekte ............................ 532.3a Polarisation bei Spiegelung
(Brewster-Winkel) ..................................532.3b Spannungsdoppelbrechung ...................532.3c Chromatische Polarisation
(LCD-Bildschirme) .................................542.4 LED und Laser –
Kohärenz, Polarisation und Monochromatik .......................... 57
Arbeitsblatt für Heftoptik .................................58
Bestellschein ....................................................59
-Konformitätserklärung
Hiermit wird bestätigt, dass das Produkt Schüler-Set Optik 2.0 (Best.-Nr. 47530) den Anforderungen der Europäischen Norm EN 50 081-1 (EMV) entspricht.
Cornelsen Experimenta – Berlin, am 22.05.2017
Nicolas Domann
Geschäftsführer
se-pr
Einräumplan / Einzelteilübersicht ...................4, 5Hinweise zum Versuchsaufbau ...........................6Hinweise zur Schülerlampe ................................7Binnendifferenzierung mit QR Codes .............8, 9
1.7 Übung zur Lichtbrechung .....................261.8 Strahlengänge durch Linsen .................28
2.1 Interferenz am Gitter ........................ 47
Die markierten Kapitel sind in dieser Leseprobe in Auszügen enthalten.
Leseprobe
4 © Cornelsen Experimenta
11
Einräumplan / Einzelteilübersicht Schüler-Set Optik 2.0 (47530)
Abb.-Nr. Anz. Artikelbezeichnung Best.-Nr.
– 1 Anleitung Schüler-Set Optik 2.0 475305
– 1 Einräumplan Schüler-Set Optik 2.0 475303
1 1 Profilschiene, Aluminium, 500 mm 40810
2 1 Schülerlampe LED/LASER 47535
3 1 Stecker-Netzgerät 68534
4 1 Batteriehalter 475351
5 1 Satz Optische Körper (6 Stück) 47510
6 1 Acrylglasstab 47511
7 Mignonbatterie, 1,5 V, Alkaline, Satz 4 Stück
51904
8 1 Prisma, gleichseitig, 3x60° 47241
9 1 Lampentisch 47536
10 1 Messtisch 47512
11 5 Klemmschieber 40820
12 1 Universalspiegel 47094
Abb.-Nr. Anz. Artikelbezeichnung Best.-Nr.
13 1 Linse, bikonvex, f = +200 mm 47136
14 1 Linse, bikonvex, f = +100 mm 47135
15 1 Linse, bikonvex, f = +50 mm 47134
16 1 Linse, bikonkav, f = –100 mm 47138
17 1 Kondensor 475151
18 1 Blenden- und Diahalter 47517
19 1 Dia Maßstab 47410
20 1 Farbfilter, Primärfarben, rot, grün, blau
47045
21 1 Schirm- und Spiegelhalter 47256
22 1 Kreuzständer, schwarz 13707
23 1 Petrischale mit Mittelsteg 17715
24 1 Schirm, weiß, mit Maßstab 13733
Zusätzlich erforderlich: Schattenkörper (Radiergummi, Anspitzer etc.), Lineal (30 cm), Wasser
mit Ergänzung Wellenoptik 47540
13
14
15
16
17
18
13
15
14
16
1817
1
24
23
21 22
5
6
7
8
9
10
12
3 42
26
26
27 –
30
19 20
25
Optische Körper
halb- rund
bi- konvex
Schnittlinsen
bi- konkav
quader- förmig
Prisma,gleich -
schenklig
Prisma,gleich - seitig
Leseprobe
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Schüler-Set Optik 2.0Einzelteilübersicht Ergänzung Wellenoptik (47540)
Abb.-Nr. Anz. Artikelbezeichnung Best.-Nr.
25 1 Schirm, Klarglas 47065
26 1 Paar Polarisationsfilter mit Skala 47282
27 1 Glimmerscheibe im Diarahmen 47407
28 1 Strichgitter, 80 Linien/mm 47285
29 1 Strichgitter, 300 Linien/mm 47282
30 1 Strichgitter, 600 Linien/mm 47283
25 26
27 28 29 30
Leseprobe
6 © Cornelsen Experimenta
Schüler-Set Optik 2.0Aufbauhinweise
b b
Kondensor 17 Blenden- und Diahalter 18
aa
a + b a + b
Die Klemmschieber 11 können an jeder beliebigen Stelle der Profilschiene aufgesetzt werden. Sie dienen zum Ein stecken und Fixieren der Stativstäbe.
Die drei Buchsen des Klemm schiebers unter-scheiden sich in ihrer Klemmwirkung. Bei der Wahl der Buchse ist darauf zu achten, dass das Bauteil bis zum Anschlag in die Buchse gescho-ben ist und fest sitzt.
Der Blenden- und Diahalter 18 und der Kondensor 17 mit Blenden- und Diahalter werden jeweils aus zwei Teilen (a und b) zusammengesetzt.
Der Aufsatz (b) ist in der Box einfach vorhanden und wird – je nach Bedarf – zwischen 17 und 18 getauscht.
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© Cornelsen Experimenta 7
Schüler-Set Optik 2.0Hinweise zur Schülerlampe
Hinweise zur Gefährdungsbeurteilung der Schülerlampe
Die Schülerlampe emittiert umschaltbar Licht einer weißen LED und eines roten Lasers. Beide Lichtquellen sind in der niedrigsten Schutzklasse ihrer Art zertifiziert *, sodass die Schülerlampe nach DIN EN 62471 der Risikogruppe RG0 („freie Gruppe“) und nach DIN EN 60825 der Laserschutzklasse I zugeordnet ist.
Eine Gefährdungsbeurteilung gemäß der RiSU „Sicherheit und Gesund-heit im Unterricht“ erlaubt den Einsatz der Schülerlampe im Unterricht:
�� Der Betrieb der Lampe durch Schülerinnen und Schüler erfordert nicht die Aufsicht der Lehrerin oder des Lehrers.
�� Der Versuchsbereich muss nicht mit einem Laserwarnschild gekennzeichnet oder durch Abgrenzung gegen unbeabsichtigtes Betreten gesichert sein.
�� Der Einsatz von optisch sammelnden Komponenten (z. B. Lupen, Sammellinsen) ist erlaubt.
Wir empfehlen, die Schülerinnen und Schüler vor Aufbau und Durchfüh-rung von Experimenten über die Gefährdung der Augen durch Laser-licht zu belehren. Den Schülerinnen und Schülern sollte der direkte Blick in den Laser und die LED untersagt werden, auch wenn er für Abstände größer als der zertifizierte Sicherheitsabstand von 50 mm gestattet ist.
* Das Zertifikat kann in elektronischer Form angefordert werden unter [email protected]
Hinweise zum Gebrauch
Die Schülerlampe benötigt eine Gleichspannung von 3 V. Sie kann wahl-weise mit der Batterieversorgung oder dem Steckernetzteil betrieben werden. Mittels Umschalter kann zwischen LED und Laser gewählt werden.
Der Laser entwickelt seine volle Leuchtstärke nur bei Temperaturen unter 40 °C. Beim Wechsel der Schülerlampe vom LED-Betrieb in den Laser-Betrieb ist deshalb darauf zu achten, dass nach längerem Einsatz der LED bei Raumtemperatur eine Abkühlzeit von ca. 5 Minuten eingeplant wird.
Laser rot (635 nm) Schalter-stellungen LED neutral-weiß
AUS
Steckernetzteil oder BatterieversorgungLeseprobe
8 © Cornelsen Experimenta
Schüler-Set Optik 2.0Binnendifferenzierung mit QR Codes
Einleitung
Für die Binnendifferenzierung in der Experimentierstunde benötigen Sie in der Regel Zusatzmaterialien, deren Erstellung meist sehr zeitauf-wändig ist. Deshalb haben wir ein Konzept für Smartphones und Tablets ent-wickelt, mit dem die Schülerinnen und Schüler auf von uns bereit-gestellte Inhalte im Internet zugreifen können. Der Zugriff auf diese Materialien erfolgt dabei über QR Codes. Diese lassen sich gemäß Ihren Wünschen in kürzester Zeit kostenlos im Internet generieren.
Im ersten Schritt können Sie einen QR Code® erzeugen, der auf einen oder mehrere von uns bereitgestellte Inhalte im Internet verweist. Dabei stehen Ihnen die folgenden Inhalte für jeden Versuch aus diesem Anleitungsheft zur Verfügung:
� Kurzbeschreibung
� Materialliste
� Versuchsschema
� Foto des Aufbaus
� Video des Aufbaus
Zu einigen Experimenten bieten wir zusätzlich:
� Hilfekarten
� Beispieldaten
� weiterführende Links
Den erzeugten QR Code® können Sie entweder speichern, oder direkt auf einem Arbeitsblatt einbinden.
Als Alternative können Sie auch einen großen QR Code®, der auf einen einzelnen Inhalt verweist, als Hilfecode ausdrucken und laminieren.
Für das Einbinden auf dem Arbeitsblatt empfehlen wir eine Größe von50 x 50 Pixel und bei Hilfecodes von 150 x 150 Pixel.
Empfohlene Größe:
50 x 50 Pixel
QR Code® ist ein eingetragenes Waren-zeichen der Denso Wave Incorporated.www.denso-wave.com
Link zum Video des Au� aus
Empfohlene Größe:
150 x 150 Pixel
Leseprobe
© Cornelsen Experimenta 9
Schüler-Set Optik 2.0Binnendifferenzierung mit QR-Codes
Was ist ein QR Code®?
Der QR Code® ist ein Bild, in dem eine Information kodiert ist. Der rechts abgebildete Beispielcode enthält die Internetadresse unserer Home-page, also die Information „http://www.cornelsen-experimenta.de“.
Mobilgeräte wie Tablets oder Smartphones sind in der Lage, die Infor-mation dieses Bilds mit einem sogenannten Scanner zu lesen und die Adresse anschließend in einem Browser aufzurufen.
Welche technischen Voraussetzungen sind nötig, um den QR Code® zu lesen?
Sie brauchen ein Mobilgerät, das über eine Kamera verfügt und auf das Internet zugreifen kann. Sind diese technischen Voraussetzungen erfüllt, kann das Gerät einen QR Code® lesen und verarbeiten. Der dazu nötige QR Code® Scanner ist auf dem Smartphone oder Tablet oft bereits installiert.
Sollte ein solches Programm nicht auf dem Gerät vorinstalliert sein, suchen Sie bitte in Ihrem Shop für Anwendungen nach „QR Code®
Scanner“. Unter den meist zahlreichen kostenfreien Scannern wählen Sie sich bitte einen aus und folgen den Installationsanweisungen.
Wie generiere ich einen QR Code®?
Die Anleitung zum jeweiligen Versuch beinhaltet einen QR Code®, der bereits auf eine Vorauswahl der angebotenen Inhalte verweist. Zusätzlich können Sie mit den folgenden Schritten einen eigenen QR Code® erzeugen:
1. Rufen Sie den QR Code®-Generator unterhttp://www.differenzieren-mit-qrcode.de auf.
2. Wählen Sie das gewünschte Experiment aus.
3. Aus der Liste wählen Sie die gewünschtenZusatzinformationen aus.
4. Wählen Sie die Größe des Codes in Pixel.
5. Erzeugen Sie den Code mit dem Button„QR Code® erzeugen“.
6. Der erzeugte QR Code® ist ein Bild, das Sie ausdrucken oder zurWeiterverwendung in anderen Dokumenten kopieren können.
Wie kann ich den QR Code® im Unterricht einsetzen?
Als Hilfecode bietet sich ein QR Code® an, der auf einen einzelnen Inhalt wie das Video, die Hilfekarte oder das Foto des Aufbaus verweist. Dabei können Sie die Verwendung der Mobilgeräte am Arbeitsplatz vermeiden, indem Sie die Benutzung nur an einem speziellen Tisch oder Platz im Raum erlauben.
Ein QR Code®, der auf die Materialliste oder den Aufbau verweist, kann auf einem Arbeitsblatt genutzt werden, um Teile der Beschreibung, wie beispielsweise die Skizze, zu einem späteren Zeitpunkt anzufertigen.
Leseprobe
Schüler-Set Optik 2.01 Strahlenoptik
26 © Cornelsen Experimenta
1.7 Übung: Brechung Die Brechung von Licht in verschiedenen Körpern wird in einer Heftoptik konstruiert und anschließend mit dem Laser der Schüler-lampe kontrolliert.
Arbeitsblatt Übung zur Lichtbrechung
Material
Schülerlampe LED / LASER ......2Satz Optische Körper ...............5
Versuchsdurchführung
In jeder Aufgabe wird zuerst der Verlauf des gezeig-ten Lichtstrahls vervollständigt. Anschließend wird der jeweilige optische Körper mit der rauen Fläche
auf die vorgesehene Position gelegt und die Lösung mit dem Laser kontrolliert.
Lösungen
Aufgabe 1
Aufgabe 2
A
B
C
A
B
C
Aufgabe 3Ausgehend vom Brechungsindex 1,55 ergibt sich für den Brechungswinkel β
β = sin–1(sin (α) ∙ 1,55).
A
B
C
D
Strahl Einfallswinkel α Brechungswinkel β
A 25° 41°
B 10° 16°
C 30° 51°
D 55° –
Leseprobe
Ph Optik
Name
Datum
Die grau dargestellten Körper sind aus Glas. Löse die folgenden Aufgaben und überprüfe deine Ergebnisse mit dem Laser und dem entsprechenden Körper.
© Cornelsen Experimenta 27
Übung zur Lichtbrechung
1. Markiere den richtigen Lichtweg.
2. Konstruiere den weiteren Strahlenverlauf.
3. Miss die Einfallswinkel der vier Strahlen. Bestimme den Brechungswinkel und konstruiere mit deinem Ergebnis den weiteren Strahlenverlauf.
Raue Seite liegt auf! Verhindere beim Über-prüfen, dass ein Teil des Laserstrahls über den Körper scheint.
Strahl Einfallswinkel Brechungswinkel
A
B
C
D
A
B
C
A
B
C
A
B
C
DLeseprobe
Schüler-Set Optik 2.01 Strahlenoptik
28 © Cornelsen Experimenta
Material
Schülerlampe LED / LASER ......2Bikonkave Schnittlinse, Bikonvexe Schnittlinse (aus Satz Optische Körper) .......5
Versuchsdurchführung
Bei der Durchführung ist eingangs darauf zu achten, dass die Linsen auf der vorgezeichneten Position liegen. Anschließend werden die auf dem Arbeits-
blatt rot vorgezeichneten Lichtwege mit dem Laser ausgeleuchtet und vervollständigt.
Auswertung
Im Teilexperiment zur Zerstreuungslinse lässt sich beobachten, dass paralleles Licht hinter der Linse auseinanderläuft. Dabei werden die Lichtstrahlen so
gebrochen, dass sie aus einem virtuellen Brennpunkt zu kommen scheinen.
Fvirtuell
Eine Sammellinse hingegen bündelt parallele Licht-strahlen dicht der optischen Achse in einem Brenn-punkt. Da der Lichtweg umkehrbar ist, werden
Brennpunktstrahlen von der Linse zu Parallelstrahlen gebrochen. Mittelpunktstrahlen werden von einer ausreichend dünnen Linse nicht gebrochen.
M
M ≙ „Mittelpunkt“ F ≙ „Brennpunkt“
FF M
1.8 Strahlengänge durch Linsen Die Strahlengänge durch Konvex- und Konkav-linse werden als Heftoptik untersucht.
Arbeitsblatt Strahlengang durch Linsen
Leseprobe
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© Cornelsen Experimenta 29
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Leseprobe
46 © Cornelsen Experimenta
Material
Profilschiene ..........................1Schülerlampe LED / LASER ......2
Op1.2 Reflexionsgesetz2.1 Interferenz am Gitter – Versuchsaufbau
Material
Schülerlampe LED / LASER ......... 2Lampentisch ............................. 9Klemmschieber .......... (3 x) ......11Blenden- und Diahalter ............18
Schirm- und Spiegelhalter ....... 21Schirm .................................... 24Strichgitter, 80; 300; 600 Linien/mm ...28 – 30
e
Blenden- und Diahalter mit Strichgitter
x
Die Lampe an die Kante des Tisches schieben
Den Schirm so verschieben, dass sich das Muster mit dem Maßstab vermessen lässt
Das Gitter so drehen, dass die Linien auf dem Schirm ein horizontales Band ergeben
1
3
2falsch: richtig:
Die Beschriftung des Dias zeigt nach oben
Leseprobe
Schüler-Set Optik 2.02 Wellenoptik
© Cornelsen Experimenta 47
Versuchsdurchführung
Das Licht des Lasers durchleuchtet wie dargestellt ein Strichgitter. Das Gitter ist so zu drehen, dass die Linien auf dem Schirm ein horizontales Band ergeben. Anschließend werden die Interferenzerscheinungen auf dem Schirm mithilfe des aufgedruckten Maß-stabs vermessen. Dabei sollte der Abstand zwischen Schirm und Gitter ausreichend groß sein, um die benutze Näherung für kleine Winkel zu erlauben.
Auswertung
Mit zunehmender Liniendichte des Gitters rücken die Maxima im Interferenzmuster weiter auseinander. Die Beobachtung der Intensitätsabnahme bei Maxima höherer Ordnungen wird durch die Optik der Laser-diode gestört. Dafür lässt sich die Wellenlänge der Laserdiode mit dem in der Abbildung hergeleiteten Zusammenhang λ = g x _ e recht genau berechnen. Das bestätigt der Vergleich der Messwerte mit der auf dem Typenschild angegebenen Wellenlänge von 635 nm.
Gitter 80 Linien / mm Gitter 300 Linien / mm
x
2.1 Interferenz am Gitter Mithilfe eines optischen Gitters wird die Wellen-länge des Lasers der Schülerlampe experimentell bestimmt.
Arbeitsblatt Interferenz am Transmissionsgitter
falsch richtig
Gittertyp80
Linien/mm300
Linien/mm600
Linien/mm
Linienabstand g in μm 12,50 3,33 1,67
Schirmabstand e in m 0,33 0,33 0,14
Abstand Maxima x in m 0,017 0,064 0,058
Wellenlänge λ in nm 644 646 692
Fehler δλ in % 1 2 9
e
g
nλ
x
α
α
α
sin(α) = nλ __ g
tan(α) = x _ e
Für kleine Winkel
α «1
→ sin(α) ≈ tan(α)
nλ __ g =
x _ e
Gitter Schirm
Leseprobe
PhOptik
Interferenz am Transmissionsgitter
Name
Datum
48 © Cornelsen Experimenta
Überlagern sich Lichtstrahlen eines Lasers wieder, nachdem sie unterschiedliche Wege gegangen sind, kommt es zu spezifischen Interferenzmustern. Mithilfe dieser Muster lässt sich die Wellen-länge des Lichts mit einem Lineal bestimmen, obwohl diese enorm klein ist.
Durchführung: Â Baue das Experiment gemäß der Abbildung auf.
 Berechne die Gitterkonstante g für die folgenden drei Gitter.
Gittertyp 80 Linien/mm 300 Linien/mm 600 Linien/mm
g in mm
 Untersuche den Einfluss der Gitterkonstanten auf das Interferenz-muster. Positioniere dazu den Schirm so, dass du mindestens drei Linien auf dem Schirm siehst.
Auswertung:1. Skizziere zu dem jeweiligen Gitter einen Ausschnitt des Musters.
Notiere jeweils den Abstand der Maxima und den Abstand ezwischen Schirm und Gitter, ergänze die Werte in deiner Skizze.
g =
e =
g =
e =
g =
e =
2. Markiere in deiner Skizze die Stellen der konstruktiven und destruk-tiven Interferenz.
3. Berechne mit deinen Daten die Wellenlängedes Lasers.Überprüfe dein Ergebnis mithilfe derDaten auf dem Typenschild.
Achte darauf, dass die Linie des Lasers vertikal ausgerichtet ist und die Beschrif-tung des Dias nach oben zeigt.
MesshinweisUm die Messgenauigkeit zu er-höhen, kannst du…
… den Abstand mehrerer Maxima messen.
… den Abstand zwischen Schirm und Gitter vergrößern. Vergiss dabei nicht den Abstand in der Skizze zu notieren.
Wiederholung Interferenz
konstruktiv destruktiv
+ +Leseprobe
Handreichung (Bestellnummer 47530 5)
Schüler-Set Optik 2.0
Ref. 03.10
Cornelsen Experimenta GmbHHolzhauser Straße 7613509 Berlin
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